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现代大型光学系统在天文和空间观测等方面的应用越来越多,大口径非球面反射主镜作为核心元件之一,其口径大小直接决定着光学系统的分辨能力。随着其应用的发展，对主镜面形加工过程中的检测条件和精度要求越来越高。对于初抛阶段的非球面镜面形检测，目前常用的检测技术是接触式检测（三坐标测量机，激光跟踪仪）和红外干涉检测。其中三坐标测量机检测精度可达PV值2~5μ m，但受仪器自身尺寸限制，其可检测非球面口径有限，激光跟踪仪的检测精度通常为PV值10μ m，难以满足初抛阶段检测要求，红外干涉检测测量精度可达PV值0.5~1μ m，但其成本较高，同时在操作及可靠性方面还有待提高。相位恢复技术是一种利用输出面光强信息,来反推输入面相位信息的方法,在光学显微镜、图像修复、衍射元件设计、分块镜子镜拼接等领域得到了广泛的应用。利用相位恢复技术进行光学镜面面形检测，结构简单，可检测误差幅值范围满足初抛阶段要求，具有良好的抗震动和抗空气干扰能力。本文从相位恢复原理出发，针对初抛阶段误差(1μ m~10μ m)面形检测设计了混合算法，同时从球面镜的面形检测入手，并结合非球面镜检测的特点，对非球面镜相位恢复面形检测进行了理论和实验研究。论文的主要研究内容包括以下几个方面：1.介绍相位恢复面形检测的基本原理，并建立了基于多离焦面图像的相位恢复面形检测模型。使用菲涅尔区角谱衍射理论描述光场传播过程，同时针对离散处理过程中存在的高频振荡现象，通过补零方法有效提高了衍射图像质量。对经典GS(Gerchberg-SaxtonAlgorithm)算法的收敛性分析得出GS算法在本质上是一种误差递减算法，但存在一定的收敛局限性，在此基础上提出了适用于面形检测的MGS(Modified Gerchberg-SaxtonAlgorithm)算法。2.对现有初抛阶段误差相位恢复算法进行了总结与分析，在此基础上提出了基于梯度搜索算法和MGS算法的相位恢复混合算法。混合算法使用Zernike多项式拟合波前相位分布，采用梯度搜索算法对多项式系数进行优化，得出低频相位分布，再结合MGS算法进行中高频相位恢复。仿真结果与原始相位RMS值差异为0.01λ （RMS相对误差为2.4%），表明混合算法的计算结果准确、可靠。3.分析了相位恢复面形检测的检测幅值范围和检测频率范围，并对一块口径130mm球面镜进行了相位恢复面形检测实验，研究了相位恢复面形检测的实验方法，实验结果与干涉检测结果的RMS差异低于0.01λ（RMS相对误差为14.3%），在低频段(f e≤0.03mm1)的PSD相对误差为6.1%，在中高频段(f e>0.03mm1)的PSD相对误差为5.4%。对相位恢复检测中的光源定位误差和焦点定位误差进行了定量分析，并提出了相应的减小误差的方法。4.对非球面反射光场进行了分析，通过对焦散区的研究，划分了离焦图像中可以用于相位恢复计算的有效区域。为了减少镜面非球面度的影响，建立了基于最佳拟合球面的非球面相位恢复面形检测方法，实现非球面检测和最佳拟合球面检测的转换。5.对一块口径140mm抛物面镜进行了相位恢复面形检测实验，实验结果与CGH检测结果的RMS差异低于0.02λ （RMS相对误差为22.8%），面形分布基本一致，表明相位恢复检测能够在实验环境要求低及设备简单的情况下，实现对非球面较高精度的检测。